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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1,
26 und 28.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Aus
der
DE 102 01 668
A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem
ein Ventil zum Einstellen der Strömungsmenge von Wasserstoff
im Abgaskanal angeordnet ist, wobei stromaufwärts von dem Ventil ein balgförmiger Dämpfer vorgesehen
ist. Aufgrund dieses dehnungsfähigen
balgförmigen Dämpfers kann
das bekannte System jedoch nur verzögert auf eine Einstellung des
Gesamtdruckes des Wasserstoffgases ansprechen, das heißt es muss bei
diesem bekannten Brennstoffzellensystem zunächst das gesamte Volumen des
Dämpfers
aufgefüllt
werden bevor zum Beispiel eine konstante Druckanhebung im gesamten
Wasserstoffabgasströmungskanal
eintreten kann.
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Eine
Brennstoffzelle empfängt
eine Zufuhr an Wasserstoffgas und Sauerstoffgas (oxidierendes Gas),
um elektrische Energie zu erzeugen. Das Gas, welches restlichen
Wasserstoff enthält,
der nicht in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist, wird zur Außenseite
der Brennstoffzelle als Wasserstoff-Abgas ausgestoßen. Auch
wird Gas, welches Rest-Sauerstoff enthält, der in der Brennstoffzelle nicht
verbraucht wurde, zur Außenseite
der Brennstoffzelle als Sauerstoff-Abgas ausgetragen. Da das Wasserstoffgas
in dem Wasserstoff-Abgas zurückbleibt,
kann der Brennstoffwirkungsgrad verbessert werden indem das Wasserstoff-Abgas
veranlasst wird zur Wasserstoffgas-Versorgungsseite der Brennstoffzelle
hin zurückzuströmen.
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In
einem Fall, bei dem das Wasserstoff-Abgas in der Brennstoffzelle
zirkuliert, wird Stickstoff (N2), welches
zu einer Anodenseite von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle
aus durchgedrungen ist, gespeichert, welches eine elektrochemische
Reaktion verhindert und die Ausgangsleistung einer Einheit-Zelle
der Brennstoffzelle vermindert. Auch kann Feuchtigkeit in Form von
Wasser in dem Wasserstoffgas und auch Wasser, welches aufgrund der
elektrochemischen Reaktion erzeugt wird und in der Brennstoffzelle
verbleibt, die elektrochemische Reaktion behindern und die Ausgangsleistung
einer Einheit-Zelle der Brennstoffzelle mindern. Demzufolge ist
ein Austrag-Ventil in dem Wasserstoffabgas-Zirkulationssystem vorgesehen
und es wird das Wasserstoff-Abgas intermittierend zur Außenseite
der Brennstoffzelle über
das Austrag-Ventil ausgetragen, wodurch eine Reduzierung der Ausgangsleistung
der Brennstoffzelle verhindert wird.
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Wenn
das Wasserstoff-Abgas zur Außenseite
des Brennstoffzellensystems hin ausgetragen wird, werden das Wasserstoff-Abgas
und Sauerstoff-Abgas in einer Kammer in solcher Weise gemischt,
dass eine Wasserstoffkonzentration reduziert wird, wie dies in der
offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (
JP 2003-132915 A ) offenbart ist,
oder es wird der Wasserstoff einer Verbrennungsbehandlung unterworfen
unter Verwendung eines Katalysators, wie dies in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
(
JP 2002-289237
A ) offenbart ist. Bei einem Brennstoffzellensystem, welches
in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
JP 2002-289237 A offenbart
ist, wird das Wasserstoff-Abgas zeitweilig in einer Kammer in einem
Austragkanal gespeichert, es wird das Wasserstoff-Abgas allmählich aus
der Kammer zu einem Zusammenführungsabschnitt
ausgetragen, in welchem das Wasserstoff-Abgas mit dem Sauerstoff-Abgas gemischt
wird und durch das Sauerstoff-Abgas verdünnt wird, und es wird der Wasserstoff
einer Verbrennungsbehandlung unterworfen und zwar vermittels einer
Verbrennungsvorrichtung, die einen Katalysator enthält.
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Obwohl
die Kammer zum Verdünnen
des Wasserstoff-Abgases, die in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
JP 2003-132915 A offenbart
ist, und die Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung der Verbrennungsbehandlung
des Wasserstoffes, die in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
JP 2002-289237 A offenbart ist,
effektiv darin sind, um die Wasserstoffkonzentration zu reduzieren,
wenn das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre bin ausgetragen wird, variiert
die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, welches intermittierend in die Kammer oder
in die Verbrennungsvorrichtung strömt, abhängig von einem Betriebszustand
(Last) der Brennstoffzelle. Daher muss die Kammer oder die Verbrennungsvorrichtung
groß bemessen
sein, um mit einer maximalen Menge (Spitzenmenge) des Wasserstoff-Abgases
fertig zu werden. Da speziell in einem Fall eines im Fahrzeug eingebauten
Brennstoffzellensystems ein Raum, in welchem das Brennstoffzellensystem
montiert wird, begrenzt ist, muss die Größe solch eines Wasserstoffabgas-Austragsmechanismus
reduziert werden. Da auch Platin in dem Katalysator in der Verbrennungsvorrichtung
verwendet wird, welches allgemein kostspielig ist, sind die Kosten
für die
Verbrennungsvorrichtung (Katalysator) hoch, wenn die Größe der Verbrennungsvorrichtung
(Katalysator) groß ist.
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Das
Dokument
US 2003/077488
A1 offenbart eine Verdünnungsvorrichtung
für den
ausgetragenen Brennstoff und ein Brennstoffzellensystem vom Verdünnungstyp
für den
ausgetragenen Brennstoff, wobei die Brennstoffverdünnungsvorrichtung eine
Zurückhaltezone
mit einem vorbestimmten Volumen enthält, in die ein Brennstoff,
der von einer Brennstoffzelle ausgetragen wurde, zum Zeitpunkt eines
Spülvorgangs
zurückgehalten
wird, und enthält eine
Verdünnungszone
mit einem vorbestimmten Volumen, durch die Luft, welche aus der
Brennstoffzelle ausgetragen wird, hindurchströmt und bei der die Luft mit
dem Brennstoff gemischt wird, der in der Rückhaltezone vorhanden ist,
um den Brennstoff zu verdünnen.
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Ferner
offenbart das Dokument
US 2001/018142
A1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle
zum Erzeugen von elektrischer Energie vermittels einer chemischen
Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Das System enthält ein Einström-Durchlassventil,
welches in einem Wasserstoff-Einlassdurchgang oder Kanal angeordnet
ist, durch den Wasserstoff einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
Es wird Wasserstoff dem Stapel intermittierend in Einklang mit dem
verbrauchten Wasserstoff zugeführt
indem der Öffnungszustand
und Schließzustand
des Einströmkanal-Ventils und des Wasserstoffauslassventils
gesteuert wird.
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Darüber hinaus
offenbart das Dokument
EP 0
356 906 A1 eine Brennstoffzellenstapelanordnung für Wasserstoffbrennstoff,
der in einer nebelgekühlten
Brennstoffzellen-Leistungskraftwerkanordnung nachformiert wird,
wobei der Leistungsabschnitt eines Phosphor-Brennstoffzellen-Leistungskraftwerks durch
Injektion von Wassertropfen oder eines Nebels in den Anoden-Gasstrom
gekühlt
wird. Das Anodenabgas mit dem darin enthaltenen Wasserdampf wird in
einen Abschnitt aufgeteilt, der zu einem Brenner in einem Katalysator-Nachformer
geleitet wird, um durch den Nachformer-Brenner verbraucht zu werden.
Der Rest des Anodenabgases wird zu dem Nachformer-Einlass geleitet,
wo dieser für
das Wasser sorgt, welches für
die Nachformungsreaktion erforderlich ist. Der Nebel wird durch
Kondensation von Wasser aus dem Abgas von einem Turbokompressor erzeugt,
der die Luft komprimiert, die für
die Kathodenseite des Leistungsabschnitts zugeführt wird.
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Ferner
offenbart das Dokument
US 2003/129472
A1 ein Rückschlagventil
und ein Brennstoffzellensystem, welches dieses Rückschlagventil verwendet. Das
Rückschlagventil
ist in einem Wasserstoffabgas-Zirkulierpfad angeordnet, der mit
einer Brennstoffzelle verbunden ist, so dass das Wasserstoff-Abgas
lediglich in einer Richtung strömen
kann. Innerhalb eines Ventilgehäuses
sind eine erste Kompressionskammer und eine zweite Kompressionskammer
in solcher Weise vorgesehen, dass ein Schott dazwischen angeordnet
werden kann. In dem Schott ist ein erstes Kommunikationsloch und
ein zweites Kommunikationsloch ausgebildet, um eine Strömungsverbindung
zwischen der ersten Kompressionskammer und der zweiten Kompressionskammer
herzustellen. In einem ersten Führungsventil ist
ein Öffnungsende
aufwärts
gerichtet angeordnet und ein ortsfestes Ende ist nach unten gerichtet
angeordnet. In einem zweiten Führungsventil
ist ein Öffnungsende
abwärts
gerichtet angeordnet und ein ortsfestes Ende ist aufwärts gerichtet
angeordnet.
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Das
Dokument
WO 2004/51780
A offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle,
ein Versorgungssystem, ein Zirkuliersystem, ein Spülventil
und einen Controller enthält,
um eine Ventilöffnung
des Spülventils
einzustellen, so dass eine Stickstoffkonzentration des Brennstoffgases
in dem Zirkuliersystem konstant gehalten wird.
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Das
Dokument
US 2002/094469
A1 offenbart ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem und ein Verfahren
zum Austragen des Wasserstoff-Abgases, wobei das verbrauchte Wasserstoff-Abgas
aus einer Brennstoffzelle über
einen Wasserstoffabgas-Austrag-Strömungskanal
ausgetragen wird und bei dem das verbrauchte Sauerstoff-Abgas aus
der Brennstoffzelle über
einen Sauerstoffabgas-Austrag-Strömungskanal ausgetragen wird.
Das Sauerstoffabgas, welches durch den Sauerstoffabgas-Austrag-Strömungskanal
strömt
und das Wasserstoff-Abgas, welches durch den Wasserstoffabgas-Austrag-Strömungskanal
strömt,
werden gemischt und in einen Mischabschnitt verdünnt. Die in dem Mischabschnitt gemischten
Gase strömen
in eine Verbrennungsvorrichtung und zwar über einen Gas-Flüssig-Separator. Die
Verbrennungsvorrichtung, die einen Platinkatalysator enthält, veranlasst
den Wasserstoff, der in den Mischgasen enthalten ist, mit dem Sauerstoff
durch Verbrennung zu reagieren und reduziert ferner die Konzentration
des Wasserstoffes, der in den Mischgasen enthalten ist. Die Mischgase,
deren Konzentration an Wasserstoff durch die Verbrennungsvorrichtung
reduziert worden ist, werden zur Atmosphäre hin ausgetragen und das
verbrauchte Wasserstoff-Abgas als auch das verbrauchte Sauerstoffabgas,
die aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden, werden in einem
Mischabschnitt gemischt und verdünnt.
Ein Puffer ist stromabwärts
von einem Sperrventil vorgesehen und zwar vor dem Mischabschnitt. Dieser
Puffer besitzt unterschiedliche Einlass- und Auslass-Durchmesser,
wobei der Auslass-Durchmesser
kleiner ist als der Einlass-Durchmesser.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein Brennstoffzellensystem zu schaffen,
bei welchem die Größe eines
Wasserstoffabgas-Austragsmechanismus klein ausgeführt werden
kann indem eine Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases oder eine Konzentration des Wasserstoffes
in dem Wasserstoff-Abgas konstant gehalten wird.
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Die
Aufgabe wird jeweils erfindungsgemäß durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale
gelöst.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem,
welches eine Konzentration von Wasserstoff in dem Wasserstoff-Abgas
reduziert, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird und
bei dem dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird. Das
Brennstoffzellensystem enthält
ein Einsteilventil (Strömungsmengen-Steuerventil,
Druckeinsteilventil, Öffnen/Schließ-Ventil
oder ähnliches),
welches eine Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases einstellt (oder eine Konzentration des Wasserstoffes
in dem Wasserstoff-Abgas) und zwar auf eine konstante Strömungsmenge
(eine konstante Konzentration), wobei das Einstellventil in einem
Abgaskanal vorgesehen ist, durch den das Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle
kontinuierlich oder intermittierend ausgetragen wird und zu einer
Außenseite
des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
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Bei
dieser Konfiguration kann eine impulsförmige Änderung in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases (oder der Konzentration des Wasserstoffs
in dem Wasserstoff-Abgas) in dem Abgaskanal reduziert werden, es
kann die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases einheitlich (konstant) gemacht werden und
demzufolge kann die Wirkung des Katalysators stabil gemacht werden
und zwar selbst dann, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle
geändert
wird. Auch kann die verwendete Menge des kostspieligen Katalysators
reduziert werden. Ferner kann die Konzentration des Wasserstoffes
in dem Abgas auf einem niedrigen Wert gehalten werden und zwar in
einem Fall in einfacher Weise, bei dem das Wasserstoff-Abgas verdünnt wird
und zur Atmosphäre
hin ausgetragen wird ohne dabei einer Verbrennungsbehandlung unter
Verwendung des Katalysators unterworfen zu werden.
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Das
Einstellventil kann aus einem mechanischen Einstellventil oder aus
einem elektromagnetischen Ventil bestehen, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag
basierend auf einem Betriebszustand der Brennstoffzelle gesteuert
oder geregelt wird.
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Das
Brennstoffzellensystem kann ferner eine Detektoreinrichtung für den Gaszustand
enthalten, um einen Mengenzustand des Wasserstoff-Abgases in dem
Abgaskanal zu detektieren (beispielsweise die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases oder die Konzentration des Wasserstoffes
in dem Wasserstoff-Abgas oder die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases
oder die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas, welches basierend
auf den Betriebzustand der Brennstoffzelle abgeschätzt wird)
und es kann das Einstellventil basierend auf der detektierten Zustandsmenge
gesteuert oder geregelt werden. Da bei dieser Konfiguration das Öffnen/Schließen des
Einstellventils basierend auf der detektierten Zustandsmenge gesteuert
wird, kann die Strömungsmenge
stabil gestaltet werden.
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Auch
kann das Brennstoffzellensystem ferner eine Kammer enthalten, die
zeitweilig Gas speichert, wobei die Kammer stromaufwärts von
dem Einstellventil in dem Abgaskanal vorgesehen ist. Da mit dieser
Konfiguration das Wasserstoff-Abgas, welches intermittierend ausgetragen
wird, zeitweilig gespeichert wird, wird eine impuls förmige Änderung
der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases unterdrückt
und die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases kann konstant gehalten werden.
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Das
Brennstoffzellensystem enthält
ferner einen Zusammenführabschnitt,
in welchem ein Strömungsmittel,
welches Sauerstoff enthält
(Luft-Abgas, Luft, oxidierendes Gas oder ähnliches) und das Wasserstoff-Abgas
gemischt werden, wobei der Zusammenführabschnitt stromabwärts von
dem Einstellventil vorgesehen ist. Bei der weiter unten beschriebenen
Ausführungsform
dient die Verbrennungsvorrichtung als Zusammenführabschnitt. Jedoch kann ein Rohr
für das
Wasserstoff-Abgas und auch ein Rohr für das Luft-Abgas zu einem Rohr
zusammengeführt sein.
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Auch
kann der Zusammenführabschnitt
eine Wasserstoff-Reduziereinrichtung enthalten (beispielsweise eine
Verdünnungsvorrichtung,
eine Umwandlungseinrichtung (einen Katalysator und eine Verbrennungsvorrichtung)),
um eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas
durch Mischen des Wasserstoff-Abgases und des Strömungsmittels
zu reduzieren. Der Ausdruck "Reduzieren
einer Konzentration des Wasserstoffes" unterstreicht, dass "eine Konzentration
des Wasserstoffes in dem Gas reduziert wird, welches von der Wasserstoff-Reduziereinrichtung
ausgetragen wird" und "dass eine Gesamtmenge
des Wasserstoffes reduziert wird, der von der Wasserstoff-Reduziereinrichtung
ausgetragen wird".
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Die
Brennstoffzelle kann ferner einen Strömungsmittel-Zustand-Sensor
enthalten, der eine Zustandsmenge (die Strömungsmenge und die Konzentration)
des Strömungsmittels
detektiert, welches in die Wasserstoff-Reduziereinrichtung strömt, und das
Einstellventil kann aus einem elektromagnetischen Ventil bestehen,
dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag
gesteuert wird und zwar basierend auf einer Ausgangsgröße des Strömungsmittelzustand-Sensors.
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Auch
kann die Wasserstoff-Reduziereinrichtung eine Umsetzeinrichtung
enthalten, um den Wasserstoff zu oxidieren (einen Katalysator und
eine Verbrennungsvorrichtung) und zwar unter Verwendung des Strömungsmittels,
und das Brennstoffzellen system kann ferner eine Temperaturdetektoreinrichtung enthalten,
um eine Temperatur eines Abschnitts der Umsetzeinrichtung zu detektieren,
an welchem der Wasserstoff oxidiert wird, und es kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag
des Einstellventils basierend auf der Temperatur gesteuert oder
geregelt werden.
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Da
bei dieser Konfiguration die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches
in die Umsetzeinrichtung eingeleitet wird, und eine Menge des Luft-Abgases,
welches in die Umsetzeinrichtung eingeleitet wird, geändert werden
kann und zwar entsprechend einer Ausgangsgröße der Temperaturdetektoreinrichtung,
kann eine Aktivierungstemperatur der Umsetzeinrichtung aufrechterhalten
werden und demzufolge kann der Wasserstoff effizient oxidiert werden.
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Auch
kann die Menge des Strömungsmittels, welches
zu der Umsetzeinrichtung zugeführt
wird, durch das Einstellventil gesteuert oder geregelt werden. Mit
dieser Konfiguration kann ein Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen
dem Wasserstoff und dem Sauerstoff auf einen geeigneten Wert eingestellt
werden.
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Auch
kann die Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases aus einem Druck bestehen
und es kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag
des Einstellventils entsprechend dem Druck eingestellt werden. Mit dieser
Konfiguration kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag
des Einstellventils auf einen geeigneten Wert entsprechend dem detektierten
Druck eingestellt werden beispielsweise einem durch den Drucksensor
detektierten Druck, der den Druck des Wasserstoff-Abgases detektiert.
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Auch
kann die Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases, die basierend auf
einem Öffnungs-/Schließ-Zustand
des Wasserstoffreinigungsventils erhalten wird, welches das Wasserstoff-Abgas aus
der Brennstoffzelle zu dem Abgaskanal austrägt. Da bei dieser Konfiguration
das Öffnen/Schließen des
Einstellventils basierend auf Informationen hinsichtlich des Öffnens/Schließens des
Wasserstoff-Spülventils
gesteuert wird, ist es nicht erforderlich, einen spezifischen Sensor
zum Detektieren der Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases vorzusehen.
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Auch
kann die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Abgaskanal geleitet wird,
eingestellt werden indem der Öffnungsbereich
oder die Öffnungsfläche des
Einstellventils eingestellt wird.
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Der
Abgaskanal kann wenigstens zwei Abgaskanäle umfassen, durch die das
Wasserstoff-Abgas zu einer Außenseite
des Brennstoffzellensystems geleitet wird, und es kann das Einstellventil
ein Öffnungs-/Schließ-Ventil
enthalten, von denen jedes in jedem der wenigstens zwei Abgaskanäle vorgesehen
ist.
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Jedes
der Öffnungs-/Schließ-Ventile
kann entsprechend einem Zustand des Wasserstoff-Abgases auf einer
stromaufwärtigen
Seite von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile gesteuert
oder geregelt werden.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem,
welches das Wasserstoff-Abgas, welches aus einer Brennstoffzelle
ausgetragen wird, verdünnt
und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin austrägt. Das
Brennstoffzellensystem enthält
einen ersten Kanal, durch den ein Verdünnungsgas, welches zum Verdünnen des
Wasserstoff-Abgases verwendet werden kann, strömt; enthält einen zweiten Kanal, über den
das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle ausgeleitet wird;
einen Zusammenführungsabschnitt,
an den der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind;
und eine Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen des Druckes des
Wasserstoff-Abgases und des Druckes des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt,
wobei die Druckeinstelleinrichtung in wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten
Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
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Da
bei dieser Konfiguration eine Differenz zwischen dem Druck des Luft-Abgases
und dem Druck des Wasserstoff-Abgases an dem Zusammenführungsabschnitt
eingestellt wird, wird eine Menge des Wasserstoff-Abgases zu dem
Zusammenführungsabschnitt
ausgetragen und dies geschieht in stabiler weise.
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Die
Druckeinstelleinrichtung kann in dem zweiten Kanal vorgesehen sein.
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Die
Druckeinstelleinrichtung kann einen Luftkompressor enthalten, der
in einem Oxidiergas-Versorgungskanal auf einer Kathodenseite der
Brennstoffzelle vorgesehen ist, und kann einen Einstellkanal enthalten,
der wenigstens eine der Seiten gemäß einer Einlassseite und einer
Austragsseite des Luftkompressors und den zweiten Kanal verbindet.
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Die
Druckeinstelleinrichtung kann ein Öffnungs-/Schließ-Ventil
enthalten, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag
oder Ausmaß entsprechend dem
Druck in dem Zusammenführungsabschnitt
eingestellt werden kann, wobei das Öffnungs-/Schließ-Ventil
in dem Einstellkanal vorgesehen ist.
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Der
Einstellkanal kann einen ersten Einstellkanal umfassen, der einen
Versorgungskanal auf der Einlassseite des Luftkompressors und den
zweiten Kanal verbindet, und kann einen zweiten Einstellkanal enthalten,
der einen Versorgungskanal auf der Austragsseite des Luftkompressors
mit dem zweiten Kanal verbindet. Das Brennstoffzellensystem kann ferner
eine Drucksteuereinrichtung enthalten, um den Druck des Wasserstoff-Abgases
niedriger zu machen als der Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt,
indem ein Unterdruck oder negativer Druck in dem zweiten Kanal über den ersten
Einstellkanal ausgebildet wird und zwar unter Verwendung des Luftkompressors
und indem der Druck des Wasserstoff-Abgases in dem zweiten Kanal
höher eingestellt
wird als der Druck des Verdünnungsgases
in dem Zusammenführungsabschnitt und
zwar über
den zweiten Einstellkanal unter Verwendung des Luftkompressors.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem,
welches das Wasserstoff-Abgas verdünnt, welches aus einer Brennstoffzelle
ausgetragen wird, und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin austrägt. Das
Brennstoffzellensystem enthält
einen ersten Kanal, durch den das Verdünnungsgas strömt, welches
zum Verdünnen
des Wasserstoff-Abgases verwendet werden kann; einen zweiten Kanal, über den
das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle aus geleitet wird; einen
Zusammenführungsabschnitt,
an dem der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind; eine
Druckeinstellvorrichtung, die den Druck des Wasserstoff-Abgases
und den Druck des Verdünnungsgases
in dem Zusammenführungsabschnitt einstellt,
wobei die Druckeinstellvorrichtung in wenigstens einem Kanal gemäß dem ersten
Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
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Da
bei dieser Konfiguration eine Differenz zwischen dem Druck des Luftabgases
und dem Druck des Wasserstoff-Abgases an dem Zusammenführungsabschnitt
eingestellt wird, wird eine Menge des Wasserstoff-Abgases, welches
zu dem Zusammenführungsabschnitt
ausgetragen wird, stabil gemacht.
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Da
es gemäß dem zuvor
Erläuterten
ersten bis dritten Aspekt der Erfindung möglich ist eine pulsierende Änderung
(Fluktuation) in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases oder in der Konzentration des Wasserstoffes
in dem Wasserstoff-Abgas zu unterdrücken, welches von der Brennstoffzelle
intermittierend (oder kontinuierlich) ausgetragen wird, derart,
dass die Strömungsmenge
oder die Konzentration des Wasserstoffes einheitlich gestaltet wird,
kann die Möglichkeit
geschaffen werden die Wirkung des Katalysators stabil zu gestalten
und die verwendete Menge an dem Katalysator zu reduzieren. Es wird
somit möglich
die Verbrennungsbehandlung des Wasserstoff-Abgases unter Verwendung
einer kleinen Verbrennungsvorrichtung durchzuführen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorangegangenen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von als Beispiel gewählten Ausführungsformen
unter Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher
Elemente verwendet sind und in denen zeigen:
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1A ein
Diagramm, welches eine erste Ausführungsform erläutert,
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1B und 1C Graphen
sind, die je die erste Ausführungsform
erläutern;
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2 ein
Diagramm ist, welches eine zweite Ausführungsform erläutert;
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3 ein
Diagramm ist, welches eine dritte Ausführungsform erläutert;
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4 ein
Diagramm ist, welches eine vierte Ausführungsform erläutert;
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5 ein
Diagramm zeigt, welches eine fünfte
Ausführungsform
erläutert;
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6A ein
Diagramm ist, welches eine sechste Ausführungsform erläutert,
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6B ein
Graph ist, der die sechste Ausführungsform
erläutert;
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7A ein
Diagramm ist, welches eine siebente Ausführungsform erläutert,
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7B bis 7D Graphen
sind, die die siebente Ausführungsform
erläutern;
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8 ein
Diagramm ist, welches eine achte Ausführungsform erläutert;
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9 ein
Diagramm ist, welches eine neunte Ausführungsform erläutert;
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10A ein Diagramm ist, welches eine zehnte Ausführungsform
erläutert;
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10B und 10C Graphen
sind, die die zehnte Ausführungsform
erläutern;
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11A ein Diagramm ist, welches ein Vergleichsbeispiel
erläutert;
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11B und 11C Graphen
sind, die jeweils das Vergleichsbeispiel erläutern;
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12 ein
Diagramm ist, welches eine elfte Ausführungsform erläutert;
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13A bis 13C Graphen
zeigen, von denen jeder eine Steueroperation bei der elften Ausführungsform
erläutert;
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14A bis 14C Graphen
zeigen, von denen jeder eine andere Steueroperation bei der elften
Ausführungsform
erläutert;
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15 ein
Diagramm ist, welches eine zwölfte
Ausführungsform
erläutert;
und
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16A bis 16E Graphen
zeigen, von denen jeder eine Steueroperation bei der zwölften Ausführungsform
erläutert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform der
Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Bei
der Ausführungsform
der Erfindung wird Wasserstoff-Abgas, welches intermittierend aus
einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, in einer Kammer gespeichert
und es wird die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer
herausströmt,
auf konstant eingestellt und zwar mit Hilfe eines Einstellventils.
Als Einstellventil wird ein Strömungsmengen-Steuerventil
(ein Drosselklappenventil oder ein Strömungsmengen-Steuerventil mit einem Druckkompensator),
ein Drucksteuerventil (Druckreduzierungsventil) oder ähnliches
Ventil verwendet. Das Einstellventil kann aus einem mechanischen Ventil
oder einem elektromagnetischen Ventil bestehen. Wenn ein mechanisches
Einstellventil verwendet wird, ergibt sich ein Vorteil, dass die
Strömungsmenge
bei relativ niedrigen Kosten eingestellt werden kann. Wenn das elektromagnetische
Einstellventil verwendet wird, ergibt sich ein Vorteil, dass die Strömungsmenge
in Einklang mit vielfältigen
Bedingungen eingestellt werden kann. Auch wenn ein Strömungssteuerventil
verwendet wird, das kaum durch Schwankungen im Druck beeinflusst
wird, ist es möglich,
eine Kammer wegzulassen, die zeitweilig das Wasserstoff-Abgas speichert,
um die Schwankung im Druck zu reduzieren (beispielsweise eine Kammer 132 in 1A,
die an späterer
Stelle beschrieben wird, und eine Kammer, die stromabwärts von
dem Einstellventil vorgesehen ist, was später beschrieben wird (beispielsweise
ein Auspufftopf 234 in 12)).
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Da
eine konstante Menge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung
zugeführt
wird, ist es möglich
eine Situation zu vermeiden, bei der eine große Menge des Wasserstoffabgases zu
einem Katalysator in der Verbrennungsvorrichtung in einer kurzen
Zeit zugeführt
wird. Es wird somit möglich,
die Verbrennungsbehandlung für
den Wasserstoff, der aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird unter
Verwendung eines Katalysators durchzuführen, dessen Menge gering ist
(kleine Verbrennungsvorrichtung). Auch die Mengen des Wasserstoff-Abgases
und des Sauerstoff-Abgases, die zu der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden,
werden so gesteuert, dass der Wirkungsgrad des Katalysators optimal
wird.
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(Erste Ausführungsform)
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1A bis 1C zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
der Erfindung. 1A zeigt einen Hochdruck-Wasserstofftank 101 zum
Speichern von Wasserstoff, ein Öffnen/Schließen-Ventil (Anlassventil) 102,
um die Zufuhr des Wasserstoffgases von dem Hochdruck-Wasserstofftank 101 zu
unterbrechen, ein Druckeinstellventil 103 zum Einstellen
des Druckes (der Strömungsmenge)
des Wasserstoffgases, die einer Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
und eine Pumpe 104, um das Abgas (Wasserstoff-Abgas), welches das
verbleibende Wasserstoffgas enthält,
welches nicht verwendet worden ist, zum Rückströmen zu der Brennstoffzelle 121 zu
veranlassen. 1A zeigt auch ein Luftfilter 111 zum
Beseitigen von Staub in der Luft, einen Kompressor 112 zum
Zuführen
von Luft, eine Befeuchtungsvorrichtung 113 zum Befeuchten
von Luft. Die Brennstoffzelle 121 besteht beispielsweise
aus einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle
empfangt das zugeführte
Wasserstoffgas und zugeführte Luft
(oxidierendes Gas), um elektrische Energie zu erzeugen. 1A zeigt
auch ein Öffnen/Schließen-Ventil 131 zum
Austragen des Wasserstoff-Abgases zur Außenseite der Brennstoffzelle 121 hin, eine
Kammer 132 mit einer Kapazität, die ausreichend ist, um
zeitweilig das Wasserstoff-Abgas zu speichern, ein mechanisches
Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133,
welches die Möglichkeit
schafft, dass das Wasserstoff-Abgas, welches
in der Kammer 132 gespeichert ist, herausströmt und zwar
in solcher Weise, dass die Strömungsmenge
konstant bleibt, und eine Verbrennungsvorrichtung 134,
die eine Verbrennungsbehandlung für den Wasserstoff durchführt und
zwar unter Verwendung eines Platin-Katalysators. Das Wasserstoff-Abgas
wird der Verbrennungsvorrichtung 134 von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 aus
zugeführt
und das Luft-Abgas wird der Verbrennungsvorrichtung 134 von
der Brennstoffzelle 121 aus zugeführt. Die Verbrennungsvorrichtung 134 dient
auch als ein Zusammenführungsabschnitt,
in welchem das Wasserstoff-Abgas und das Luft-Abgas gemischt werden.
Feuchtigkeit, die aufgrund der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 erzeugt
wird, wird zur Außenseite
des Brennstoffzellensystems (zur Atmosphäre hin) ausgetragen. In 1 erstreckt sich ein Wasserstoffgas-Versorgungskanal 201 von
dem Wasserstofftank 101 zu der Brennstoffzelle 121.
Ein Luft-(Oxidierungsgas)-Versorgungskanal 202 erstreckt
sich von der Luftreinigungsvorrichtung 111 zu der Brennstoffzelle 121.
Ein Wasserstoffabgas-Kanal (Abgaskanal) 203 bildet einen
Durchgang, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu
der Verbrennungsvorrichtung 134 geleitet wird. Ein Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal 204 bildet
einen Durchgang, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu
dem Wasserstoffgas-Versorgungskanal 201 geleitet wird.
Ein Luft-Abgaskanal 205 bildet einen Durchgang, durch den
das Luft-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu der Verbrennungsvorrichtung 134 geleitet
wird. Das Abgas wird von der Verbrennungsvorrichtung 134 zur
Atmosphäre
hin ausgetragen und zwar über
einen Außenseiten-Abgaskanal 206.
Ein Steuerabschnitt 300 steuert das zuvor genannte Öffnungs-/Schließ-Ventil 102, das
Druckeinstellventil 103, die Zirkulierpumpe 104, den
Kompressor 112, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 und ähnliches.
Der Steuerabschnitt 300 ist unter Verwendung eines Computersystems
zur Durchführung
der Steuerung konfiguriert.
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Als
nächstes
wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems, der durch den Steuerabschnitt 300 durchgeführt wird,
beschrieben. Der Steuerabschnitt 300 öffnet das Öffnungs-/Schließ-Ventil 102 des Wasserstofftanks 101 entsprechend
einem elektrischen Energieerzeugungsbefehl von einem Abschnitt außerhalb
des Steuerabschnitts 300. Auch stellt der Steuerabschnitt 300 die
Strömungsmenge des
Wasserstoffgases, welches zu der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
durch Einstellen des Druckeinstellventils 103 ein, um eine
erforderliche Menge an elektrischer Lastenergie zu erzeugen. Auch
betätigt der
Steuerabschnitt 300 den Kompressor 112, befeuchtet
die Luft einer Menge entsprechend der Menge des Wasserstoffgases
und führt
die Luft der Brennstoffzelle 121 zu. Wenn das Wasserstoffgas und
Luft (oxidierendes Gas) an die Brennstoffzelle 121 abgegeben
werden, erfolgt in jeder Zelle eine elektrochemische Reaktion und
es wird eine elektromotorische Kraft zwischen der Anode und der
Kathode (nicht gezeigt) in der Brennstoffzelle 121 erzeugt. Die
elektrische Energie wird einem Motor und einer Sekundärbatterie
des Fahrzeugs zugeführt.
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Der
Steuerabschnitt 300 öffnet
periodisch das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 für eine kurze
Zeit und zwar während
des Betriebes der Brennstoffzelle 121 und trägt das Wasserstoff-Abgas
aus (führt
eine Reinigung davon durch). Wie in 1B gezeigt
ist, ändert
sich die Strömungsmenge
des ausgespülten Wasserstoff-Abgases
in einer pulsierenden Art mit einem Spitzenwert der hoch liegt und
zwar entsprechend einer Änderung
in dem Druck an einem Abschnitt X in 1A. Der
Steuerabschnitt 300 stellt einen Öffnungszyklus des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 gemäß einem
Zustand der Last ein. Wenn die Last groß ist wird der Öffnungszyklus
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 kurz.
Wenn die Last klein ist wird der Öffnungszyklus des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 lang.
Das Wasser-Abgas wird in der Kammer 132 gespeichert und
es wird eine Änderung
in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases entsprechend einer Kapazität der Kammer 132 reduziert
und es strömt
das Wasserstoff-Abgas in einer pulsierenden Weise (siehe 11C, was später
beschrieben wird).
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Wie
ferner in 1C gezeigt ist, wird die pulsierende Änderung
in der Menge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 herausströmt, durch
das mechanische Strömungsmengen-Einstellventil 133 unterdrückt. Als
ein Ergebnis wird die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 an
einem Abschnitt Y herausströmt,
auf einen stabilen Zustand eingestellt (einheitlich gemacht). Somit
wird eine konstante Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung 134 zusammen
mit dem Luft-Abgas zugeführt
und wird dann einer Verbrennungsbehandlung unter Verwendung eines
Platinkatalysators unterworfen.
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Wie
in 1C gezeigt ist, wird die Wirkung des Platinkatalysators
in der Verbrennungsvorrichtung 134 stabil und zwar in einer
nachfolgenden Stufe, bei der das Wasserstoff-Abgas der Verbrennungsbehandlung
unterzogen wird, da die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases konstant ist. Auch ist die Menge des Katalysators
klein und zwar verglichen mit einem Fall, bei dem die Spitzenströmungsmenge
des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 ohne
Verwendung der Kammer 132 und des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unterworfen
wird (siehe 1B) oder verglichen mit einem
Fall, bei dem die Spitzenströ mungsmenge
des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 ohne
Verwendung des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unterzogen wird
(siehe 11C, die später beschrieben wird).
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Anstelle
des Sauerstoff-Abgases, welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, kann
auch Luft außerhalb
des Brennstoffzellensystems verwendet werden und zwar nicht nur
bei dieser Ausführungsform
sondern auch bei den Ausführungsformen,
die später
beschrieben werden.
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Der Öffnungs-/Schließ-Betrag
des Strömungsmengen-Einstellventils 133 kann
vermittels des Steuerabschnitts 300 entsprechend dem Öffnungszustand
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 eingestellt
werden, welches aus einem Wasserstoffspül-Ventil besteht. Beispielsweise
wird in beiden Fällen
und zwar in dem Fall, bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 für eine vorbestimmte Öffnungszeitperiode
geöffnet
wird und einem Zyklus, von dem an das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen
wird bis zu dem Zeitpunkt, wenn das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 das
nächste
Mal geöffnet wird
und sich dieser Zyklus ändert,
und dem Fall, bei dem der Zyklus konstant ist und die Öffnungszeitperiode
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro
Einheitszyklus geändert
wird, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 entsprechend
einem Abschnitt der Öffnungszeitperiode
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro
Einheitszeit geöffnet,
das heißt
es wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 in
einem größeren Ausmaß oder Grad
geöffnet,
wenn der Anteil der Öffnungszeitperiode
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 größer wird.
Somit kann der Druck des Wasserstoff-Abgases in der Kammer 132 im
Wesentlichen konstant gemacht werden und zwar ohne Verwendung eines
speziellen Sensors. Demzufolge kann eine pulsierende Strömung des Wasserstoff-Abgases,
welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird,
unterdrückt
werden und es kann zur gleichen Zeit die Austragmenge des Wasserstoff-Abgases
eingestellt werden. Der Steuerungsbetrieb kann durchgeführt werden,
da der Steuerabschnitt 300, der die Steuerung des Öffnungszustandes
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 durchführt, das
heißt
die Steuerung ausführt,
ob das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet oder
geschlossen wird, den Öffnungszustand
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 detektiert
und ein Signal zum Steuern des Öffnungs-/Schließ-Betrages
des Strömungsmengen-Einstellventils 133 erzeugt.
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11A zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem
Vergleichsbeispiel zur Klarstellung der Wirkung der ersten Ausführungsform.
In 11A sind gleiche Abschnitte wie in 1 durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet
und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Wie
in 11A gezeigt ist, ist das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 zum Unterdrücken einer
pulsierenden Änderung
in der Strömungsmenge
nicht zwischen der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Als
ein Ergebnis wird die pulsierende Änderung in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases nicht sehr ausgeprägt an dem Abschnitt X reduziert
und die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, ändert sich
stark in einer pulsierenden Art und zwar an dem Abschnitt Y. Um
die Verbrennungsbehandlung des Wasserstoff-Abgases in der Verbrennungsvorrichtung 134 auszuführen, ist
es erforderlich einen Katalysator mit einer Behandlungskapazität vorzusehen,
die ausreichend ist, um mit einer Spitzenmenge des Wasserstoff-Abgases
fertig zu werden. Es ist daher eine große Menge des kostspieligen
Platinkatalysators erforderlich und es muss daher die Größe der Verbrennungsvorrichtung 134 ebenfalls
groß sein. Da
auch die Strömung
des Wasserstoff-Abgases nicht kontinuierlich ist oder sich ändert und
zwar in einer pulsierenden Weise, wird die Wirkung des Katalysators
auch unstabil.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform.
In 2 sind gleiche Abschnitte wie in 1 durch
gleiche Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben
wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
wird als Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 ein mechanisches Membran-Ventil verwendet.
Der Druck des Wasserstoffgases, welcher der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
wird auf eine Membran des Strömungsmengen-Steuerventils 133 aufgebracht und
zwar als Pilotdruck und der Öff nungsbetrag
des Strömungsmengen-Steuerventils 133 wird
entsprechend der Strömungsmenge
(Druck) des zugeführten
Wasserstoffgases gesteuert. Die anderen Abschnitte sind die gleichen
wie bei der ersten Ausführungsform.
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Wenn
bei dieser Konfiguration der Steuerabschnitt 300 das Druckeinstellventil 103 entsprechend einer
Zunahme in der erforderlichen Last öffnet derart, dass die Menge
des Wasserstoffgases, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
anwächst
und die Menge der erzeugten elektrischen Energie zunimmt, wird eine
Menge des Wasserstoff-Abgases aus der Brennstoffzelle 121 zu
dem Wasserstoffabgas-Kanal (Abgaskanal) in erhöhter Form zugeführt bzw.
ausgetragen (das heißt
es wird eine Spitzenaustragsmenge und die Zahl der Austragsvorgänge erhöht). Der Druck
in dem Wasserstoffversorgungskanal 201 wird auf die Membran
des Strömungsmengen-Einstellventils 133 als
Pilotdruck übertragen
und es wird die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 erhöht. Somit
wird der mittlere Wert (im Wesentlichen konstanter Wert) der Menge
an Wasserstoff-Abgas, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, entsprechend
der Zunahme in der Menge des Wasserstoffgases, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
erhöht.
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Es
wird somit möglich,
die Menge des Wasserstoff-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird,
entsprechend einer Zunahme in dem Wasserstoff-Abgas zu ändern, welches von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen
wird, und eine Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung durchzuführen. Auch
in diesem Fall wird die Wirkung des Katalysators stabil, da die
mittlere Menge (im Wesentlichen konstante Menge) des Wasserstoff-Abgases
dem Katalysator zugeführt
wird.
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(Dritte Ausführungsform)
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. In 3 sind gleiche Abschnitte wie
in 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
wird als Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 ein elektromagnetisches Ventil verwendet
und wird durch eine Ausgangsgröße des Steuerabschnitts 300 gesteuert.
Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 den Öffnungsbetrag
oder Öffnungsausmaß des Einstellventils 103 entsprechend
einem Gaspedal-Öffnungsbetrag
des Fahrzeugs ein, um so die Menge des Wasserstoffgases einzustellen,
die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird. Auch stellt der Steuerabschnitt 300 einen
Mittelwert der Menge des Wasserstoff-Abgases ein, welche der Verbrennungsvorrichtung 134 von
dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 aus
zugeführt
wird und zwar entsprechend dem Gaspedal-Öffnungsbetrag des Fahrzeugs.
Es wird somit möglich,
die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird,
entsprechend der Menge des Wasserstoff-Abgases einzustellen, die
von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird.
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Auch
in diesem Fall wird die Wirkung des Katalysators stabil, da die
mittlere Menge (im Wesentlichen konstante Menge) des Wasserstoff-Abgases dem
Katalysator zugeführt
wird.
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Ein
Elektromagnet des Strömungsmengen-Einstellventils 133 kann
dadurch angetrieben werden indem die Energie eines elektrischen
Signals verstärkt
wird, welches den Gaspedal-Öffnungsbetrag
anzeigt und zwar ohne Verwendung des Steuerabschnitts 300.
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(Vierte Ausführungsform)
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4 zeigt
vierte Ausführungsform
der Erfindung. In 4 sind gleiche Abschnitte wie
in 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
ist ein Temperatursensor 136 zum Messen der Temperatur
des Katalysators der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen.
Die Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 wird
zu dem Steuerabschnitt 300 übertragen. Das Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 zum Unterdrücken der pulsierenden Änderung
in der Menge des Wasserstoff-Abgases und der Zufuhr des Wasserstoff-Abgases
zur Verbrennungsvorrichtung 134 wird durch ein elektromagnetisches
Ventil gebildet. Auch wird eine ausreichende Menge an Luft-Abgas
der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt. Die anderen Abschnitte
sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 die
Menge des Wasserstoff-Abgases ein, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 aus
zugeführt
wird, basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 und
zwar in solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen
geeigneten Wert annimmt. Das heißt wenn die Temperatur des
Katalysators hoch ist, nimmt der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Steuerventils 133 ab
und zwar in solcher Weise, dass die Menge des Wasserstoffes, die einer
Verbrennungsbehandlung bzw. Nachverbrennung unterworfen wird, reduziert
wird. Wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, wird das
Strömungsmengen-Steuerventil 133 in
solcher Weise geöffnet,
dass die Menge des Wasserstoffes, die einer Nachverbrennung unterworfen
wird, erhöht
wird. In jedem dieser Fälle
unterdrückt
das Strömungsmengen-Steuerventil 133 die
pulsierende Änderung
in der Menge des Wasserstoff-Abgases und führt eine im Wesentlichen konstante
Menge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung 134 zu.
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Da
auch in diesem Fall die mittlere Menge (im Wesentlichen konstante
Menge) des Wasserstoff-Abgases dem Katalysator zugeführt wird,
wird die Wirkung des Katalysators stabil gehalten. Da die Temperatur
des Katalysators auf einer optimalen Temperatur gehalten wird, wird
die Wirkung des Katalysators in ausreichender Weise realisiert und
es wird der Wasserstoff-Verbrennungswirkungsgrad hoch.
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(Fünfte
Ausführungsform)
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5 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung. In 5 sind gleiche Abschnitte wie
in 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
detektiert ein Temperatursensor 136 die Temperatur des
Katalysators, der in der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen ist.
Auch ist ein elektromagnetisches Ventil 135 zum Einstellen
der Strömungsmenge
des Luft-Abgases in dem Luftabgas-Kanal 205 vorgesehen.
Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
dieser Konfiguration besteht das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 aus einem
mechanischen Einstellventil oder einem elektromagnetischen Einstellventil.
Wie bei der zuvor erläuterten
ersten bis dritten Ausführungsform
wird die Menge an Wasserstoff-Abgas, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird,
entsprechend der Lastmenge oder der Menge des Wasserstoffgases, welches
der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, eingestellt. Zu diesem
Zeitpunkt wird eine pulsierende Änderung
in der Menge des Wasserstoff-Abgases durch das Strömungssteuerventil 133 unterdrückt. Der
Steuerabschnitt 300 stellt die Menge an Luft-Abgas ein,
die dem Strömungsmengen-Steuerventil 135 zugeführt wird,
basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 und
zwar in solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen
geeigneten Wert erreicht. Das heißt, wenn die Temperatur des
Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 hoch ist, wird
das Strömungsmengen-Steuerventil 135 geöffnet, es
wird das Luft-Abgas, dessen Menge über der Menge des Wasserstoff-Abgases
liegt, zugeführt,
es wird Hitze von dem Katalysator entfernt und es wird daher die
Temperatur des Katalysators abgesenkt. Wenn die Temperatur des Katalysators
niedrig ist, wird der Öffnungsbetrag
des Strömungsmengen-Steuerventils 135 reduziert
und zwar in solcher Weise, dass die Strömungsmenge des Luft-Abgases abgesenkt
wird und die Menge der Wärme,
die von dem Katalysator abgeführt
wird, reduziert wird. Auch wird die Zufuhrmenge des Luft-Abga ses
auf einen geeigneten Wert in Bezug auf die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases
eingestellt.
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Somit
kann die Temperatur des Katalysators auf den optimalen Wert eingestellt
werden, um die Wirkung des Katalysators zu erhalten.
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(Sechste Ausführungsform)
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6A zeigt
eine sechste Ausführungsform der
Erfindung. In 6A sind gleiche Abschnitte wie in 1A mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben
wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
detektiert ein Temperatur 136 die Temperatur des Katalysators,
der in der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen ist. Das
Strömungsmengen-Steuerventil 133 zum
Unterdrücken
einer pulsierenden Änderung
in der Strömungsmenge
besteht aus einem elektromagnetischen Ventil. Auch ist ein elektromagnetisches
Ventil 135 zum Einstellen der Strömungsmenge des Luft-Abgases
in dem Luftabgas-Kanal 205 vorgesehen. Die anderen Abschnitte
sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 das
Strömungsmengen-Steuerventil 133 ein
und auch das Strömungsmengen-Steuerventil 135 und
zwar basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 in
solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen
geeigneten Wert erreicht, und stellt die Zufuhrmengen des Wasserstoff-Abgases und
des Luft-Abgases ein. Der Steuerabschnitt 300 enthält eine
im Voraus abgespeicherte Beziehung zwischen der Temperatur des Katalysators
in der Verbrennungsvorrichtung 134, die detektiert werden
soll, und den Zufuhrmengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases, die eingestellt
werden sollen, in Form von Daten in einem Speicher.
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6B zeigt
schematisch ein Beispiel der Menge des Wasserstoff-Abgases und der
Menge des Luft-Abgases, die in Bezug auf die erforderliche Last (Zufuhrmenge
des Wasserstoffgases) und der Temperatur des Katalysators eingestellt
werden. Der Steuerabschnitt 300 selektiert und stellt die
Betriebseigenschaften des Strömungsmengen-Steuerventils 133 entsprechend
der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases ein. Wenn die Temperatur des
Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher ist
als ein geeigneter Wert, wird der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Einstellventils 133 entsprechend den
Betriebseigenschaften in solcher Weise reduziert, dass die Zufuhrmenge
des Wasserstoff-Abgases reduziert wird. Auch selektiert der Steuerabschnitt 300 die
Betriebseigenschaften des Strömungsmengen-Einstellventils 135 und
stellt diese ein und zwar entsprechend der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases.
Wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher liegt als
ein geeigneter Wert, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 135 entsprechend
den Betriebeigenschaften in solcher Weise geöffnet, dass die Menge des Luft-Abgases
erhöht
wird. Wenn mittlerweile die Temperatur des Katalysators niedriger
geworden ist als ein geeigneter Wert, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 entsprechend
den gewählten
Betriebseigenschaften in solcher Weise geöffnet, dass die Zufuhrmenge
des Wasserstoff-Abgases erhöht
wird. Zusätzlich
wird der Öffnungsbetrag
des Strömungsmengen-Einstellventils 135 entsprechend
den ausgewählten
Betriebseigenschaften in solcher Weise reduziert, dass die Menge
des Luft-Abgases reduziert wird.
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Es
ist somit möglich,
die Temperatur des Katalysators auf der optimalen Temperatur zu
halten und in effizienter Weise die Verbrennungsbehandlung oder
Nachverbrennung des Wasserstoff-Abgases durch Einstellen der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases und der Strömungsmenge des Luft-Abgases
entsprechend der Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 durchzuführen.
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(Siebente Ausführungsform)
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7A bis 7D zeigen
eine siebente Ausführungsform
der Erfindung. In 7A sind die gleichen Abschnitte
wie in 1A mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis
zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoff (Luft) an dem Katalysatorabschnitt
auf einen optimalen Wert gehalten. Demzufolge sind das elektromagnetische
Strömungsmengen-Steuerventil 133 und
ein Wasserstoffsensor (Strömungsmittelzustandssensor) 139 zum
Detektieren der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases und einer Konzentration des Wasserstoffes
in dem Wasserstoff-Abgas zwischen der Kammer 132 und der
Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch sind das elektromagnetische
Strömungsmengen-Steuerventil 135 und
ein Sauerstoffsensor (Strömungsmittelzustandssensor) 140 zum
Detektieren der Strömungsmenge
des Sauerstoff-Abgases und einer Konzentration des Sauerstoffes
in dem Sauerstoff-Abgas in dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der
Brennstoffzelle 121 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen.
Die Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139 und
die Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 werden
dem Steuerabschnitt 300 zugeführt. Die anderen Abschnitte
sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
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Bei
dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 das
Strömungsmengen-Steuerventil 133 mit
einer Funktion der Unterdrückung
einer pulsierenden Änderung
in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases an dem Abschnitt X ein, das heißt den intermittierenden
Austrag von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 (siehe 7B),
wodurch die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases an dem Abschnitt Y gesteuert oder geregelt
wird und zwar auf eine im Wesentlichen konstante Strömungsmenge
(den Mittelwert), wie in 7C gezeigt
ist. Zu diesem Zeitpunkt bestimmt der Steuerabschnitt 300 die
Menge des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas basierend auf der
Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139.
Dann stellt der Steuerabschnitt 300 das Strö mungsmengen-Steuerventil 135 ein,
wodurch dann die Strömungsmenge
des Sauerstoffs (Luft-Abgas) an dem Abschnitt Z eingestellt wird
und zwar in solcher Weise, dass das optimale Luft-Brennstoff-Verhältnis in
Bezug auf die Strömungsmenge
des Wasserstoffes erhalten wird, wie in 7D gezeigt
ist. Die Strömungsmenge
des Sauerstoffs wird durch Steuern des Strömungsmengen-Steuerventils 135 in
solcher Weise eingestellt, dass das Verhältnis zwischen der Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 und
der Strömungsmenge
des Wasserstoffs gleich einem vorbestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis wird.
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Es
ist somit möglich
die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung des verbliebenen Wasserstoffs
mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
in dem Katalysator gemäß einem
optimalen Wert durchzuführen.
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(Achte Ausführungsform)
-
8 zeigt
eine achte Ausführungsform
der Erfindung. In 8 sind die gleichen Abschnitte
wie in 1 durch die gleichen Bezugszeichen
bezeichnet und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Bei
der Ausführungsform
ist ein Wasserstoffsensor 141 in dem außenseitigen Abgaskanal 206 vorgesehen,
der sich von der Verbrennungsvorrichtung 134 aus erstreckt.
Der Wasserstoffsensor 141 detektiert die Konzentration
des verbliebenen Wasserstoffes (die Menge des Wasserstoffes) in
dem Gas, welches in die Atmosphäre
ausgetragen wird. Das Ergebnis der Detektion wird an den Steuerabschnitt 300 ausgegeben.
Die Strömungsmengen-Steuerventil 133 ist
in dem Wasserstoffabgas-Kanal 203 zwischen der Kammer 132 und
der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Das elektromagnetische
Strömungsmengen-Steuerventil 135 ist
in dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der Brennstoffzelle 121 und
der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Die anderen
Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
-
Bei
dieser Konfiguration steuert oder regelt der Steuerabschnitt 300 die
Strömungsmengen-Steuerventile 133 und 135,
um den verbleibenden Wasserstoff zu beseitigen, wenn der verbleibende
Wasserstoff in dem Abgaskanal vorhanden ist, der sich von der Verbrennungsvorrichtung 134 aus
erstreckt, und stellt die Strömungsmengen
des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases ein, ebenso das Verhältnis zwischen
dem Wasserstoff-Abgas und dem Luft-Abgas, die Temperatur des Katalysators und ähnliches.
Es wird somit möglich
eine Situation zu vermeiden, bei der Wasserstoff in die Atmosphäre ohne
vorhergehende Reinigung ausgetragen wird.
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(Neunte Ausführungsform)
-
9 zeigt
eine neunte Ausführungsform der
Erfindung. In 9 sind gleiche Abschnitte wie
in 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
-
Bei
der Ausführungsform
wird ein Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 mit Blick auf einen Betriebsparameter
gesteuert oder geregelt und zwar basierend oder abhängig davon
wie die Menge des Wasserstoffes eingeschätzt werden kann, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird. Demzufolge
ist das elektromagnetische Strömungsmengen-Steuerventil 133 zwischen
der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Der
Wasserstoffsensor 139 ist zwischen dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 und
der Kammer 132 vorgesehen. Auch ist der Sauerstoffsensor 140 in
dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der Brennstoffzelle 121 und
der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch ist ein
Betriebszustand-Sensor 142 für die Brennstoffzelle 121 vorgesehen.
Der Betriebzustand-Sensor 142 detektiert den Betriebsparameter der
Brennstoffzelle 121 (die Zufuhrmenge des Wasserstoffs,
eine aktuelle elektrische Energieerzeugungsmenge und ähnliches).
Der Betriebszustand-Sensor 142 detektiert eine erforderliche
oder angeforderte elektrische Energieerzeugungsmenge, die einen
Betriebsparameter der Brennstoffzelle 121 bildet, basierend
auf der Ausgangsgröße eines
Gaspedal-Öffnungsbetrag-Sensors.
Die Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139,
die Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140,
die Ausgangsgröße des Betriebszustand- Sensors 142 werden
dem Steuerabschnitt 300 zugeführt. Die anderen Abschnitte
sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
-
Bei
dieser Konfiguration kann der Steuerabschnitt 300 die folgenden
drei Steuermodi ausführen.
- (1) Der Steuerabschnitt 300 steuert
das Strömungsmengen-Steuerventil 133 basierend
auf einem Ausgangswert des Wasserstoffsensors 139 in solcher
Weise, dass die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases im Wesentlichen konstant wird.
- (2) Zusätzlich
zu der zuvor erläuterten
Steuerung des Ventils, welches unter (1) beschrieben ist, steuert
der Steuerabschnitt 300 das Strömungsmengen-Steuerventil 133 basierend
auf der Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139 und
der Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 in
solcher Weise, dass das Verhältnis
zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoffgas in der Verbrennungsvorrichtung 134 ein
geeignetes Luft-Brennstoff-Verhältnis
wird.
- (3) Zusätzlich
zu der zuvor erläuterten
Steuerung des Ventils, die unter (1) beschrieben ist, detektiert
der Steuerabschnitt 300 die Menge des Wasserstoffgases,
welches der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird und auch die elektrische
Energieerzeugungsmenge, basierend auf dem Betriebsparameter, der
aus dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 121 direkt
oder indirekt erhalten wird, wodurch die Menge des Wasserstoff-Abgases
eingeschätzt
werden kann, die von der Brennstoffzelle 121 zur Außenseite
ausgetragen wird und zwar periodisch, und/oder es kann die Konzentration
des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas abgeschätzt werden.
Die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 zugeführt wird,
kann basierend auf der eingeschätzten
Menge des Wasserstoff-Abgases eingestellt werden, welches von der
Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und/oder anhand der
Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas.
-
Bei
dieser Ausführungsform
ist die Möglichkeit
gegeben die Menge des Wasserstoffs zu detektieren oder abzuschätzen, die
der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird und zwar basierend
auf dem Betriebsparameter, der während
des Betriebes der Brennstoffzelle 121 erhalten wird. Es
ist ferner möglich
die Menge des Wasserstoff-Abgases einzuschätzen, die von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen
wird, und/oder die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas,
und es ist die Möglichkeit
gegeben die Strömungsmenge
des Wasserstoffabgases einzustellen, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 aus
zugeführt
wird.
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(Zehnte Ausführungsform)
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10 zeigt eine zehnte Ausführungsform der
Erfindung. Bei dieser Ausführungsform
wird die Fluktuation der Strömungsmenge
oder des Druckes des Wasserstoff-Abgases,
die durch das Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 strömt, unterdrückt (geglättet) und zwar im Voraus durch
eine Modifikation der Konstruktion der Kammer 132, die bei
den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
verwendet wird. Wenn die Fluktuation des Druckes des Wasserstoff-Abgases,
welches zu dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 strömt, klein
ist, kann die Konstruktion des Strömungsmengen-Einstellventils 133 einfach
sein. Auch kann eine Arbeitslast (Möglichkeit) der Unterdrückung einer
pulsierenden Änderung
in dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 reduziert
werden.
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Wie
in 10A gezeigt ist, sind eine Vielzahl an Trennwänden 132a in
der Kammer 132 vorgesehen. Die Innenseite der Kammer 132 ist
in eine Vielzahl von Kammern aufgeteilt, die miteinander kommunizieren.
Somit wird die Länge
des Kanals des Wasserstoff-Abgases erhöht und es wird das Wasserstoff-Abgas
in jede Kammer hinein diffundiert, wodurch die Gaskonzentration
und der Gasdruck einheitlich gehalten werden.
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10B zeigt schematisch die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases,
welches in die Kammer 132 strömt. 10C zeigt
schematisch die Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 herausströmt. Die
pulsierende Strömung
des Wasserstoff-Abgases, welches von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 ausgetragen wird,
wird durch die Kammer 132 geglättet. Demzufolge kann eine
Reduzierung der Arbeitslast der Unterdrückung der pulsierenden Änderung
in dem Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 erwartet werden, welches in einer
Stufe nachfolgend der Kammer 132 angeordnet ist. Das Strömungsmengen-Einstellventil
kann auch durch ein Drosselklappenventil gebildet sein.
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(Elfte Ausführungsform)
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In
jeder der ersten bis neunten Ausführungsformen wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 basierend
auf dem Steuersignal von dem Steuerabschnitt 300 eingestellt,
wodurch die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas
gesteuert oder geregelt wird, welches über den Außenseiten-Abgaskanal 206 ausgetragen
wird. Obwohl die Steuerung oder Regelung unter Verwendung des Strömungsmengen-Einstellventils 133 einen
Vorteil bietet, das die Strömungsmenge
und der Druck kontinuierlich eingestellt werden können (in
einer analogen Weise), besitzt das Strömungsmengen-Steuerventil 133 eine
komplizierte Konstruktion und ist kostspielig. Auch enthält die Steuersignalausgangsgröße von dem
Steuerabschnitt 300 multivalente Informationen und ein
Pegelsignal (analoges Signal) muss zugeführt werden, was die Arbeitslast
der Berechnungsoperation erhöht.
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Bei
der elften Ausführungsform
wird die zuvor erläuterte
Funktion des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unter
Verwendung einer Vielzahl von elektromagnetischen Öffnungs-/Schließ-Ventilen
erreicht, die eine einfachere Konstruktion haben und weniger kostspielig
sind. Die Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile
sind parallel geschaltet und die Durchmesser der Durchgänge oder
Kanäle
(oder der Widerstand der Durchgänge)
werden äquivalent geändert und
zwar entsprechend der Ein/Aus-Steuerung (Steuerung des Öffnens/Schließens der
Ventile), was durch den Steuerabschnitt durchgeführt wird. Somit wird die Menge
des Wasserstoff-Abgases, welches in den Durchgängen oder Kanälen strömt, eingestellt,
wodurch die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas,
welches von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 ausgetragen
wird, reduziert wird und vereinheitlicht wird.
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12 zeigt
die elfte Ausführungsform
der Erfindung. In 12 sind gleiche Abschnitte wie
in 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind ein Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207,
ein Druckeinstellventil 209, ein Mischabschnitt (Kammer) 231,
elektromagnetische Öffnungs-/Schließ-Ventile 232, 233, 235, ein
Auspufftopf (Schalldämpfer) 234,
und ein Drucksensor 240 vorgesehen. Wie weiter oben beschrieben
wurde wird das Wasserstoff-Abgas,
welches aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, zu
einer Einlassseite der Brennstoffzelle 121 über den
Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal zurückgeleitet und wird erneut
verwendet. Ein Teil des Wasserstoff-Abgases wird zur Außenseite
der Brennstoffzelle 121 durch das Spülventil 131 ausgetragen.
Das ausgetragene Wasserstoff-Abgas wird zu einem ersten Einlass
des Mischabschnitts 231 geleitet und zwar über den
Wasserstoffabgas-Kanal 203. Auch wird das Luft-Abgas, welches
aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, zu dem Auspufftopf
oder Schalldämpfer 234 über das
Druckeinstellventil 209 und den Luftabgas-Kanal 205 geleitet.
Die Luftmenge, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird,
wird durch den Kompressor 112 und das Druckeinstellventil 209 eingestellt.
Die Luft zum Spülen
wird einem zweiten Einlass des Mischabschnitts 231 von
einem Auslassabschnitt des Kompressors 112 über das Öffnungs-/Schließ-Ventil 135 und
den Spülluft-Versorgungskanal 207 zugeführt. Der
Auslass des Mischabschnitts 231 ist mit dem Luftabgas-Kanal 205 über Auslasskanäle (Abgaskanäle) 211 und 212 verbunden.
Das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 ist
in dem Auslasskanal 211 vorgesehen, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 ist
in dem Auslasskanal 212 vorgesehen. Die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 funktionieren
als Druckeinstellventile (Einstellventile) wie noch später beschrieben
wird.
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Der
Mischabschnitt 231 besteht aus einer Kammer mit einer Kapazität, die dafür ausreichend ist,
um zeitweilig Gas darin zu speichern. In dem Mischabschnitt 231 wer den
das Wasserstoff-Abgas und zugeführte
frische Luft gemischt, um das Wasserstoff-Abgas zu spülen oder zu verdünnen und
um die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas zu
reduzieren. Der Gasdruck innerhalb des Mischabschnitts 231 wird
mit Hilfe des Drucksensors 240 detektiert. Der detektierte
Druck wird zu dem Steuerabschnitt 300 übertragen und zwar in Form
eines Detektionssignals. Der Mischabschnitt 231 kann dadurch
ausgebildet werden indem ein Teil des Wasserstoffabgas-Kanals 203 unter
Verwendung eines Rohres mit großem
Durchmesser konfiguriert wird.
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Das
Wasserstoff-Abgas (verdünntes
Gas), welches in dem Mischabschnitt 231 verdünnt wurde, wird
mit dem Luft-Abgas in dem Luftabgas-Kanal 205 über wenigstens
einen der Auslasskanäle 211 und 212 gemäß dem Zustand
von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 gemischt.
Somit wird das Wasserstoff-Abgas weiter verdünnt. Ein Abschnitt, an welchem
die Auslasskanäle 211 und 212 und
der Luftabgas-Kanal 205 verbunden
sind, als Zusammenführabschnitt 205a.
Das verdünnte
Gas wird in den Auspuff oder Schalldämpfer 234 geleitet,
wodurch die Fluktuation des Druckes reduziert wird und auch Störgeräusche reduziert
werden. Der Schalldämpfer 234 kann
durch die zuvor erläuterte
Verbrennungsvorrichtung 134 ersetzt sein. Die Verbrennungsbehandlung
oder Nachverbrennung des Wasserstoffs wird unter Verwendung eines
(Platin)katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 durchgeführt und
die Menge des Wasserstoffs, die zur Außenseite des Brennstoffzellensystems
ausgetragen wird, kann reduziert werden. Dann kann die Konzentration
des verbleibenden Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas ausreichend
niedrig gemacht werden, es kann ferner die Temperatur des Wasserstoff-Abgases
reduziert werden und es kann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen werden.
Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie in 1.
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Bei
der zuvor erläuterten
Konfiguration sind die Auslasskanäle 211 und 212 mit
dem Luftabgas-Kanal 205 verbunden, der mit dem Auspufftopf oder
Schalldämpfer 234 verbunden
ist. Jedoch können
die Auslasskanäle 211 und 212 auch
mit dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234 verbunden
sein und der Zusammenführabschnitt 205a kann durch den
Schalldämpfer
gebildet sein. Auch kann die Strömungsmenge
oder der Druck der Luft in dem Verdünnungsluft-Versorgungskanal 207 einfacher
dadurch eingestellt werden indem ein Ventil verwendet wird, dessen Öffnungsbetrag
eingestellt werden kann (ein Strömungsmengen-Steuerventil
oder ein Druckeinstellventil) wie das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235.
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Als
nächstes
wird unter Hinweis auf die 13A bis 13C ein Beispiel des Betriebes der elften Ausführungsform
beschrieben. Die 13A bis 13C zeigen
ein Betriebszeitsteuerdiagramm, bei dem eine horizontale Achse die
verstrichene Zeit angibt und eine vertikale Achse den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils
angibt, das heißt
den Öffnungszustand
(EIN-Zustand) und den Schließzustand
(AUS-Zustand). 13A zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 an. 13B zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 an. 13C zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 233 an.
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Wenn,
wie in 13A gezeigt ist, der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 öffnet, wird
der Druck in dem Mischabschnitt 231 scharf in einer früheren Stufe
während
der Öffnungszeitperiode
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 erhöht. Somit
wird die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Luftabgas-Kanal 205 von
dem Mischabschnitt 231 strömt, erhöht. Daher öffnet der Steuerabschnitt 300 lediglich
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232,
durch welches das Verdünnungsgas
ausgetragen wird, und es wird die Menge des Wasserstoffgases, die
in den Luftabgas-Kanal 205 strömt, reduziert (13B). Nachdem der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen
hat, wird der Druck in dem Mischabschnitt 231 reduziert.
Der Steuerabschnitt 300 öffnet die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233,
um das Verdünnungsgas,
welches in dem Mischabschnitt 231 verblieben ist, zu dem
Luftabgas-Kanal 205 hin auszutragen (13C). Da die Strömungsmenge des Verdünnungsgases,
welches von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 zugeführt wird, entsprechend
der Änderung
in dem Druck des Wasserstoff-Abgases stromabwärts von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil
(Wasserstoffabgas-Austragventil) 131 in dieser Weise gesteu ert
oder geregelt wird, wird der Spitzenwert der Konzentration des Wasserstoffs,
der zur Außenseite
des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, reduziert.
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Als
nächstes
wird unter Hinweis auf die 14A bis 14C ein anderes Beispiel der Steueroperation für das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 beschrieben.
Bei der Ausführungsform
wird der Drucksensor 240, der für den Mischabschnitt 231 vorgesehen
ist, verwendet.
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Wenn
das Detektionssignal von dem Drucksensor 240, der in 14A gezeigt ist, gleich ist mit oder höher ist
als ein Schwellenwert, das heißt
es ist der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 gleich mit oder
größer als
ein vorbestimmter Druck, werden beide Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 geöffnet, wie
in 14B und 14C gezeigt
ist. Wenn das Detektionssignal von dem Drucksensor 240 niedriger liegt
als der Schwellenwert, das heißt
der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 ist niedriger als
der vorbestimmte Druck, wird lediglich das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 geöffnet und
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 wird
geschlossen, wie in 14B und in 14C gezeigt ist. Demzufolge wird eine pulsierende Änderung
in der Strömungsmenge
des Gases, welches von dem Mischabschnitt 231 ausgetragen
wird, reduziert und die gleichen Wirkungen wie die zuvor erläuterten
Wirkungen können erhalten
werden. Somit wird jedes Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und 233 getrennt
entsprechend dem Druckzustand stromaufwärts von den Öffnungs-/Schließ-Ventilen 232 und 233 gesteuert.
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Bei
der Ausführungsform
sind zwei Öffnungs-/Schließ-Ventile
zum Austragen des Gases für den
Mischabschnitt 231 vorgesehen. Es können jedoch auch drei Öffnungs-/Schließ-Ventile
zum Austragen des Gases für
den Mischabschnitt 231 vorgesehen sein. Solch eine Vielzahl
an Öffnungs-/Schließ-Ventilen
kann durch den Steuerabschnitt 300 gesteuert werden. Wenn
beispielsweise der durch den Drucksensor 240 detektierte
Druck höher
liegt als der vorbestimmte Druck, können die Öffnungs-/Schließ-Ventile sequenziell
geöffnet
werden, bis der detektierte Druck den vorbestimmten Druck erreicht
hat und es kann die Querschnittsfläche der Wasserstoffabgas-Austragskanäle, die
sich von dem Auslass des Mischabschnitts 231 aus erstrecken, vergrößert werden,
so dass das Wasserstoff-Abgas auf einem vorbestimmten Druck liegend
ausgetragen wird.
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Auch
brauchen die Querschnittsflächen
der Vielzahl der Wasserstoffabgas-Austragskanäle, die sich von dem Auslass
des Mischabschnitts 231 aus erstrecken, nicht notwendigerweise
gleich sein. In einem Fall, bei dem die Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile
vorgesehen sind und der Grund-Querschnittsbereich oder die Grund-Querschnittsfläche derselben
1 ist und die Querschnittsfläche
derselben erhöht
wird, so dass sie einer 2er Potenz entspricht (das heißt zwei Öffnungs-/Schließ-Ventile,
die jeweils eine Querschnittsfläche
von 1 haben, ein Öffnungs-/Schließ-Ventil,
welches eine Querschnittsfläche
von 2 hat und ein Öffnungs-/Schließ-Ventil
mit einer Querschnittsfläche
von 4 sind dabei vorgesehen) kann beispielsweise eine Querschnittsfläche eines Abschnitts,
durch den das Wasserstoff-Abgas aus dem Mischabschnitt 231 ausgetragen
wird, nahezu kontinuierlich eingestellt werden und zwar mit einem glatten
Verlauf entsprechend der Zahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile
indem man das Öffnen (EIN)/Schließen (AUS)
der Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile
steuert. Es wird somit möglich die
Wirkung der Einstellung des Druckes zu erhalten, die im Wesentlichen
die gleiche ist wie diejenige des Druckeinstellventils.
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Wenn
ferner das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235,
welches zwischen der stromabwärtigen
(Außenseite)
des Luftkompressors 112 und dem Mischabschnitt 231 vorgesehen
ist, geöffnet
wird, wird Luft von dem Luftkompressor 112 zu dem Mischabschnitt 231 geleitet.
Daher wird es für
einen Fall, bei dem das Wasserstoff-Abgas nicht in ausreichender
Weise verdünnt
ist oder in einem Fall, bei dem der Wasserstoff oxidiert wird und
zwar unter Verwendung des Katalysators in dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234,
möglich
eine Knappheit der Sauerstoffmenge zu kompensieren. In einem Fall,
bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 geöffnet wird,
wenn alle Öffnungs-/Schließ-Ventile 131, 232, 233 geschlossen
sind, wird es möglich
den Einfluss des Öffnens des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 auf
die pulsierende Änderung
in der Strömungsmenge
des Mischgases, welches aus dem Mischabschnitt 231 ausgetragen
wird, zu reduzieren und zwar verglichen mit dem Fall, bei das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 geöffnet wird, wenn
eines der Ventile gemäß dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und 233 geöffnet wird.
Jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt, bei
dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 lediglich
geöffnet
wird, wenn alle Öffnungs-/Schließ-Ventile 131, 232 und 233 geschlossen
sind.
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Auch
kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag
der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 durch
den Steuerabschnitt 300 entsprechend dem Öffnungszustand
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 eingestellt werden,
welches das Wasserstoffspülventil
darstellt und zwar ohne die Verwendung des Drucksensors 240.
Beispielsweise werden sowohl in dem Fall, bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet ist und
zwar für
eine vorbestimmte Öffnungszeitperiode und
der Zyklus, von welchem an das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen
wird bis zu dem Zeitpunkt, wenn das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 das
nächste
Mal geöffnet
wird und sich dieser Zyklus ändert,
und auch im Fall, bei dem der Zyklus konstant ist und die Öffnungszeitperiode
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro
Einheitszyklus geändert
wird, werden die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233,
die Strömungsmengeneinstelleinrichtungen bilden,
in geeigneter Weise geöffnet
und zwar entsprechend dem Anteil der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro
Zeiteinheit, wodurch dann die Strömungsmenge eingestellt werden kann.
Wenn beispielsweise der Anteil der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 größer wird,
werden die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 um
einen größeren Betrag
oder Grad geöffnet, wodurch
der Druck des Wasserstoff-Abgases in dem Mischabschnitt 231 im
Wesentlichen konstant gehalten werden kann, ohne einen spezifischen
Sensor vorzusehen. Somit wird es möglich eine pulsierende Strömung des
Wasserstoff-Abgases zu unterdrücken,
welches dem Auspufftopf oder Schalldämpfer (oder der Verbrennungsvorrichtung) 234 zugeführt wird
und auch möglich
die Menge des ausgetragenen Wasserstoff-Abgases zur gleichen Zeit
einzustellen. Diese Betriebsweise kann ausgeführt werden, da der Steuerabschnitt 300,
der die Steuerung des Öffnungszustandes
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 durchführt, das
heißt
die Steuerung durchführt
um zu entscheiden ob das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet oder
geschlossen wird, den Öffnungszustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 detektiert
und ein Signal zur Steuerung des Öffnungs-/Schließ-Betrages
des Strömungsmengen-Einstellventils 133 erzeugt.
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(Zwölfte
Ausführungsform)
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Bei
jeder der ersten bis neunten Ausführungsform und auch der elften
Ausführungsform
wird der Gasdruck (positiver Druck) von der stromaufwärtigen Seite
der stromabwärtigen
Seite des Wasserstoffabgas-Kanals aufgebracht oder angewendet, wodurch
das Wasserstoff-Abgas zu der Kammer 132 oder dem Mischabschnitt 231 geleitet
wird und es wird auch ferner das Wasserstoff-Abgas verdünnt oder
wird einer Verbrennungsbehandlung unterworfen und das Wasserstoff-Abgas
wird dann ausgetragen. Bei der Ausführungsform wird ein negativer
statischer Druck in dem Mischabschnitt (Kammer) 231 gebildet,
wodurch das Wasserstoff-Abgas von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite
des Wasserstoffabgas-Kanals bewegt wird. Dann wird das Wasserstoff-Abgas
zu dem Mischabschnitt 231 geleitet und wird in dem Mischabschnitt 231 gespeichert
und der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 wird auf dem
gleichen Druck gehalten wie der Gasdruck in dem Luftabgas-Kanal
(beispielsweise angenähert
dem normalen Druck, das heißt
dem Atmosphärendruck).
Als nächstes
wird dann Luft in den Mischabschnitt 231 eingeleitet und
es wird das Wasserstoff-Abgas verdünnt und das verdünnte Wasserstoff-Abgas
wird zu dem Luftabgas-Kanal hin ausgetragen. Es wird somit möglich eine
pulsierende Änderung
in der Konzentration des Wasserstoffgases zu unterdrücken, welches
zur Außenseite
des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, die durch eine pulsierende Strömung des
Wasserstoff-Abgases verursacht wird, welches aus dem Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal
ausgetragen wird (das heißt
es wird möglich die
Konzentration des Wasserstoffgases, welches zur Außenseite
des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, zu vereinheitlichen).
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15 zeigt
die zwölfte
Ausführungsform.
In 15 sind Abschnitte, welche die gleichen sind wie in 12 mit
den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben
wird hier weggelassen. Die zwölfte
Ausführungsform
ist die gleiche wie die elfte Ausführungsform mit der Ausnahme, dass
ein Negativdruck oder Un terdruck-Ausbildungskanal 208,
der das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 enthält, zwischen
dem Luftversorgungs-Kanal 202 und der stromaufwärtigen Seite
(Ansaugseite) des Luftkompressors 112 und dem Mischabschnitt 231 vorgesehen
ist. Bei der Ausführungsform
kann der Luftabgas-Kanal 205 als erster Kanal der vorliegenden
Erfindung betrachtet werden. Der Wasserstoffabgas-Kanal 203,
der Mischabschnitt 231, die Auslasskanäle 211 und 212 können als
zweiter Kanal der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der
Luftkompressor 112, der Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207 und
der Negativdruck-Ausbildungskanal 208 können als Druckeinstelleinrichtung
der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Auch können Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207,
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235,
der Negativdruck-Ausbildungskanal 208 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 als
Einstellkanal der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der
Einstellkanal dient als ein Abschnitt des zweiten Kanals zum Verdünnen des
Wasserstoff-Abgases und zum Austragen des verdünnten Wasserstoff-Abgases,
und ist in dem zweiten Kanal enthalten.
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Wie
oben beschrieben ist, enthält
die Druckeinstelleinrichtung beispielsweise die Pumpe und das Öffnungs-/Schließ-Ventil.
Auch ist die Druckeinstelleinrichtung mit wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten
Kanal und dem zweiten Kanal verbunden. Die Druckeinstelleinrichtung
kann sowohl an den ersten Kanal als auch an den zweiten Kanal angeschlossen
sein. In einem Fall, bei dem die Druckeinstellung durchgeführt wird,
ist der Drucksensor in geeigneter Weise in einem der Kanäle vorgesehen und
zwar dem ersten Kanal, dem zweiten Kanal und dem Zusammenführabschnitt,
und die Druckeinstelleinrichtung stellt eine Beziehung zwischen
dem Druck des Wasserstoff-Abgases
und dem Druck des Gases zur Verdünnung
an dem Zusammenführabschnitt
ein. Der Druckwert kann durch Detektieren einer Beziehung zwischen
dem Druck in dem ersten Kanal und dem Druck in dem zweiten Kanal
detektiert werden oder kann durch Detektieren einer relativen Beziehung
zwischen dem Druck in dem ersten Kanal und dem Druck in dem zweiten
Kanal detektiert werden. Die Druckeinstellung zielt darauf, die
Menge (Konzentration) des Wasserstoff-Abgases einzustellen und diejenige
des Gases zum Verdünnen
und zwar an dem Zusammenführungsabschnitt.
Die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas wird
so eingestellt, dass sie in einem Ziel-Verdünnungsbereich liegt und zwar
durch Einstellen der Menge des Mischgases. Andere Abschnitte der
Konfiguration sind die gleichen wie diejenigen in 12.
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Als
nächstes
wird unter Hinweis auf die 16A bis 16E die Steueroperation bei der zwölften Ausführungsform
beschrieben. In den 16A bis 16E gibt
eine horizontale Achse die verstrichene Zeit an und die vertikale
Achse gibt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils
an. 16A zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 236. 16B zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 an. 16C zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 an. 16D zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 233 an. 16E zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 an.
Der Steuerabschnitt 300 führt eine weiter unten beschriebene
Steuerung durch, wenn eine Spüloperation ausgeführt wird,
um das Wasserstoff-Abgas zur Außenseite
des Brennstoffzellensystems hin auszutragen.
- (1)
Der Steuerabschnitt 300 öffnet das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 und
schließt
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235,
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131,
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 in
einem frühen
Zustand während
des Zykluses des Austragens des Wasserstoff-Abgases zur Außenseite
hin (siehe hierzu 16A). In diesem Zustand sind
der Wasserstoffabgas-Kanal 203, der Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207, über den
Gas in den Mischabschnitt 231 eingeleitet werden kann,
und sind die Auslasskanäle 211 und 212 blockiert.
Da die Gaskanäle,
durch die das Gas in den Mischabschnitt 231 hineinströmt und herausströmt, blockiert
sind und das Gas innerhalb des Mischabschnittes 231 durch
den Unterdruck oder Negativdruck-Erzeugungskanal 203 angesaugt wird
und zwar unter Verwendung des Luftkompressors 112, der
zum Erzeugen von elektrischer Energie arbeitet, wird der Druck innerhalb
des Mischabschnittes 231 vorlaufend reduziert.
- (2) Nachdem der Steuerabschnitt 300 bestimmt hat, dass
das Ausgangssignal des Drucksensors 240 einen vorbestimmten
Schwellenwert erreicht hat, das heißt nachdem der Steuerabschnitt 300 detektiert
hat, dass der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 auf den
vorbestimmten Druck reduziert wurde, schließt der Steuerabschnitt 300 das Öff nungs-/Schließ-Ventil 236.
Somit wird ein statischer negativer Druck oder Unterdruck in dem
Mischabschnitt 231 gebildet.
- (3) Wenn der Steuerabschnitt 300 lediglich das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 öffnet, strömt das Wasserstoff-Abgas
in den Mischabschnitt 231 von der Seite der Brennstoffzelle 121 aus
(siehe 16B).
- (4) Wenn das Ausgangssignal des Drucksensors 240 anzeigt,
dass der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 im Wesentlichen
den normalen Druck erreicht hat, öffnet der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232.
Somit wird Luft in den Mischabschnitt 231 durch den Kompressor 112 eingeleitet
und das Wasserstoff-Abgas und die Luft werden gemischt, um ein verdünntes Gas
zu bilden. Das verdünnte
Gas strömt
dann in den Zusammenführungsabschnitt 205a des
Luftabgas-Kanals 205 über
den Luftabgas-Kanal 205 (siehe hierzu 16C und 16E).
- (5) Nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Öffnen des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 verstrichen
ist oder nachdem der Gasdruck, der durch den Drucksensor 240 detektiert
wird, abgenommen hat, öffnet
der Steuerabschnitt 300 ferner das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 in
solcher Weise, dass die Strömungsmenge
des Mischgases, welche in den Zusammenführungsabschnitt 205a des Luftabgas-Kanals 205 strömt, auf
einem konstanten Wert gehalten wird.
- (6) Nachdem seit dem Öffnen
des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 eine
vorbestimmte Zeit verstrichen ist, schließt der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235,
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233.
- (7) Der Steuerabschnitt 300 führt wiederholt die Schritte
(1) bis (6) während
der zuvor erläuterten Spüloperation
durch.
-
Da
diese Steuerung durchgeführt
wird kann eine Differenz zwischen dem Druck des Luft-Abgases und
dem Druck des Wasserstoff-Abgases in dem Zusammenführungsabschnitt 205a eingestellt
werden und es kann eine pulsierende Änderung in der Menge des ausgetragenen
Wasserstoff-Abgases reduziert werden. Da ferner das Wasserstoff-Abgas in den Mischabschnitt 231 von
dem Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal 204 aus eingeleitet
wird und das verdünnte
Wasserstoff-Abgas aus dem Mischabschnitt 231 zu dem Luftabgas-Kanal 205 während unterschiedlicher
Zeitperioden ausgetragen wird, kann das Einleiten des Wasserstoff-Abgases,
welches aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und
zwar in den Mischabschnitt 231 und das Austragen des Wasserstoff-Abgases von dem Mischabschnitt 231 zum
Luftabgas-Kanal 205 durchgeführt werden, ohne dass eine
Behinderung unter diesen Vorgängen auftritt
(unter unterschiedlichen Bedingungen), was vorteilhaft ist.
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Bei
der zuvor erläuterten
Ausführungsform wird
der Kompressor 112 dazu verwendet, um den negativen Druck
oder Unterdruck in dem Mischabschnitt 231 zu erzeugen.
Es kann jedoch auch eine Luftpumpe oder eine Vakuumpumpe dafür vorgesehen
sein, um den negativen Druck in dem Mischabschnitt 231 zu
erzeugen. Auch wenn Verdünnungsluft in
den Mischabschnitt 231 eingeleitet wird, kann die Konzentration
des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas dadurch reduziert werden
indem die Ausgangsleistung des Kompressors (beispielsweise durch
Erhöhen
der Drehzahl desselben) so erhöht wird,
so dass die Menge an Luft, die dem Mischabschnitt 231 zugeführt wird,
erhöht
wird. Auch kann jedes Öffnungs-/Schließ-Ventile 235 und 236 aus
einem Ventil bestehen, dessen Öffnungsbetrag
eingestellt werden kann. Da auch das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 komplementär betrieben werden,
kann ein Kanal zwischen den Öffnungs-/Schließ-Ventilen 235 und 236 und
dem Mischabschnitt 231 ausgebildet sein indem der den negativen
Druck ausbildende Kanal 208 mit dem Verdünnungsluft-Zuführkanal 207 verbunden
wird. Die Druckeinstellung kann mit einer höheren Genauigkeit unter Verwendung
eines Ventils vorgenommen werden, dessen Öffnungsbetrag eingestellt werden
kann und zwar für
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und/oder
das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236,
wobei das Ventil mit dem Kompressor 112 kombiniert wird.
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Wie
oben beschrieben wurde ist bei der Ausführungsform der Erfindung das
Strömungsmengen-Steuerventil
(Einstellventil) 133 zum Einstellen der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases in dem Wasserstoffabgas-Kanal (Wasserstoffabgas-Kanal) 203 für die Brennstoffzelle 121 vorgesehen.
Das Strömungsmengen-Steuerventil 133 unterdrückt die
pulsierende Änderung
in der Strömungsmenge
des Wasserstoff-Abgases, welches intermittierend aus der Brennstoffzelle
ausgetragen wird, in solcher Weise, dass die Strömungsmenge im Wesentlichen
konstant wird, wobei das Wasserstoff-Abgas der Verbrennungsvorrichtung
oder dem Auspufftopf bzw. Schalldämpfer zugeführt wird. Die konstante Menge
wird in geeigneter Weise entsprechend der Austragmenge des Wasserstoff-Abgases
eingestellt, ebenso abhängig
von der Menge des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle
zugeführt
wird, dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
zwischen dem ausgetragenen Wasserstoff und dem Sauerstoff, der Temperatur
des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung, der Konzentration
des Wasserstoffes, welches in dem Gas verbleibt, welches zur Atmosphäre von der
Verbrennungsvorrichtung ausgetragen wird, und ähnlichem. Somit verläuft der
Betrieb des Katalysators stabil und die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung
für das
Wasserstoffgas kann unter Verwendung einer kleinen Menge des Katalysators ausgeführt werden.
Es ist auch möglich
die Verbrennungsbehandlung für
das Wasserstoffgas perfekter auszuführen und mit einer Zunahme/Abnahme
des Wasserstoff-Abgases fertig zu werden. Es wird auch möglich die
Konzentration des verbleibenden Wasserstoffes in dem Gas, welches
zur Außenseite
des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, auf einem niedrigen Wert zu
halten.
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Die
zuvor erläuterten
Ausführungsformen können miteinander
in verschiedenster Weise kombiniert werden. Obwohl beispielsweise
die Mengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt werden,
in solcher Weise eingestellt werden, dass das Luft-Brennstoff-Verhältnis einen
optimalen Wert erreicht wie bei der siebenten Ausführungsform,
kann die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases auch reduziert werden
und es kann die Zufuhrmenge des Luft-Abgases erhöht werden, wenn die Temperatur des
Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher wird
als ein vorbestimmter Wert und zwar bei der siebenten Ausführungsform.
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Auch
kann bei der neunten Ausführungsform die
Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases
reduziert werden und es kann die Zufuhrmenge des Luft-Abgases erhöht werden,
wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher wird
als ein vorbestimmter Wert. Ferner können die Strömungsmengen-Steuerventile 133 und 135 in
solcher Weise gesteuert werden, dass der Wasserstoff in dem ausgetragenen
Gas beseitigt wird, wenn die Konzentration des Wasserstoffes in
dem Gas, welches aus der Verbrennungsvorrichtung 134 ausgetragen
wird, höher
wird als ein vorbestimmter Wert.
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Auch
kann das zuvor erläuterte
Brennstoffzellensystem bei einem System oder einem Antrieb angewendet
werden, der anders ist als bei einem Fahrzeug und die Verbrennungsvorrichtung 134 kann
aus einem Brenner bestehen.
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Bei
den ersten bis neunten Ausführungsformen
kann anstelle der Zufuhr von jeweils dem Wasserstoff-Abgas und dem
Luft-Abgas direkt in die Verbrennungsvorrichtung 134 das
Wasserstoff-Abgas und auch das Luft-Abgas in der Kammer 231 gemischt
werden, wie in 12 gezeigt ist, und es kann dann
das gemischte Gas der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt werden.
Da bei solch einer Konfiguration das durch ausreichendes Mischen
des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases gebildete Gas der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird,
wird der Wasserstoff in dem Gas effizient durch den Katalysator
oxidiert.
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Bei
den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
ist eine Kammer zum Mischen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases
zwischen dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 und
der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch wenn die
Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas, welches
aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, niedrig ist, kann die
Verbrennungsvorrichtung 134 aus der Verbrennungsvorrichtung
bestehen, die in 10A gezeigt ist.
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Bei
den zuvor erläuterten
Ausführungsformen
wird das Wasserstoff-Abgas intermittierend aus der Brennstoffzelle
ausgetragen. Jedoch kann die Erfindung auch bei einem Fall angewendet
werden, bei dem das Wasserstoff-Abgas kontinuierlich aus der Brennstoffzelle
ausgetragen wird. Es wird erwartet, dass die gleichen Wirkungen
erzielt werden indem eine Änderung
in der Menge des Wasserstoffgases, welches kontinuierlich aus der
Brennstoffzelle ausgetragen wird, auch in diesem Fall unterdrückt wird.